Fysiikkaa siitä, miksi kuuma vesi jäätyy joskus kylmää vettä nopeammin

Tarina kertoo, että vuonna 1963 tansanialainen lukiolainen Erasto Mpemba oli tekemässä jäätelöä luokkansa kanssa, kun hän laittoi sokeri-maitoseoksensa jäätelökoneeseen sen ollessa vielä kuumaa sen sijaan, että olisi antanut sen jäähtyä ensin. Hänen yllätyksekseen jäätelö jäähtyi nopeammin kuin hänen luokkatovereidensa jäätelö.

Fysiikan professorin avustuksella Mpemba teki lisäkokeita laittamalla kaksi lasillista vettä, yhden juuri keitetyn ja toisen lämpimän, pakastimeen ja katsomalla, kumpi saavutti jäätymisrajan ensin. Usein vesi, jonka lähtölämpötila oli korkeampi, jäätyi ensimmäisenä. Heidän havaintonsa saivat aikaan vuosikymmeniä kestäneen keskustelun vastakkaisen ilmiön olemassaolosta ja yksityiskohdista, jota nyt kutsutaan Mpemba-ilmiöksi.

Nyt uusi tutkimus, joka julkaistiin 5. elokuuta Nature-lehdessä, osoittaa, että Mpemba-ilmiö on olemassa, ja se myös valaisee sen syntytapoja, Emily Conover raportoi Science Newsille.

Sen sijaan, että olisivat kokeilleet jäätyvää vettä, jonka tutkiminen on yllättävän monimutkaista, Simon Fraserin yliopiston fyysikot Avinash Kumar ja John Bechhofer kohdistivat katseensa – ja laserinsa – mikroskooppisiin lasihelmiin. He mittasivat, miten lasihelmet liikkuivat hyvin tarkoin määritellyissä olosuhteissa vedessä, ja havaitsivat, että joissakin olosuhteissa hyvin kuumina alkaneet lasihelmet jäähtyivät nopeammin kuin ne, jotka eivät jäähtyneet.

”Se on yksi näistä hyvin yksinkertaisista asetelmista, ja se on jo tarpeeksi rikas osoittamaan tämän vaikutuksen.” Virginian yliopiston teoreettinen fyysikko Marija Vucelja kertoo Science Newsille. Koe viittaa myös siihen, että vaikutus saattaa näkyä muissakin materiaaleissa kuin vedessä ja lasihelmissä. Vucelja sanoo: ”Voisin kuvitella, että tämä efekti esiintyy melko yleisesti luonnossa muuallakin, emme vain ole kiinnittäneet siihen huomiota.”

Jos jäätymispiste on maaliviiva, alkulämpötila on kuin lähtöpiste. Olisi siis järkevää, jos matalampi alkulämpötila, jolla on vähemmän matkaa maaliin, saavuttaa sen aina ensimmäisenä. Mpemba-efektillä joskus kuumempi vesi saavuttaa maaliviivan ensimmäisenä.

Mutta asia muuttuu monimutkaisemmaksi. Ensinnäkin veteen on yleensä sekoittunut muita aineita, kuten mineraaleja. Ja fyysikot ovat olleet erimielisiä siitä, mikä tarkalleen ottaen on maaliviiva: onko se silloin, kun vesi astiassa saavuttaa jäätymislämpötilan, alkaa jähmettyä vai jähmettyykö se kokonaan? Näiden yksityiskohtien vuoksi ilmiötä on vaikea tutkia suoraan, kirjoittaa Anna Demming Physics World -lehdessä.

Uusi koe poistaa ne yksityiskohdat, jotka tekevät Mpemba-ilmiöstä niin hämärän. Jokaisessa kokeessa he pudottivat yhden mikroskooppisen lasihelmin pieneen vesikaivoon. Siellä he käyttivät laseria kohdistamaan hallittuja voimia helmeen, ja he mittasivat helmen lämpötilaa, Science Newsin mukaan. He toistivat testin yli 1 000 kertaa pudottamalla helmet eri kaivoihin ja aloittamalla eri lämpötiloista.

Laserin aiheuttamien tiettyjen voimien vaikutuksesta kuumimmat helmet jäähtyivät nopeammin kuin matalamman lämpötilan helmet. Tutkimus viittaa siihen, että pidempi matka korkeammasta lämpötilasta jäätymispisteeseen saattaa luoda oikopolkuja niin, että kuuman helmen lämpötila pääsee maaliin ennen viileämpää helmeä.

Bechhoefer kuvailee Physics Worldille koesysteemiä ”abstraktiksi” ja ”melkein geometriseksi” tavaksi kuvata Mpemba-ilmiötä. Mutta systeemin avulla hän ja Kumar tunnistivat optimaaliset ”alkulämpötilat” Mpemba-jäähdytysvaikutukselle.

”Se tavallaan viittasi siihen, että kaikki veden ja jään erityispiirteet – kaikki seikat, jotka tekivät alkuperäisestä vaikutuksesta niin vaikeasti tutkittavissa olevan – saattaisivat olla tavallaan perifeerisiä”, Bechhoefer kertoo Physics Worldille.